技术专区|有限元在工业洗脱机外缸优化设计中的应用（一）

技术专区|有限元在工业洗脱机外缸优化设计中的应用（一）

原创： 航星机械 航星机械 2月1日

引言

众所周知，洗涤过程是一个使织物通过洗涤剂、温度、机械力 的作用后去除污垢的过程，洗脱机是实现整个过程的载体，并且洗涤过程中的机械力是通过转笼周期性的正反转来提供的摩擦力以及将织物带到高处后下落产生的摔打力而得到，转笼的转动由电机拖动，转笼在洗涤状态下以一定的速度正反向转动，在脱水状态下以一定的较高的速度单向转动达到脱水目的， 整个洗涤过程大致可分为预洗、主洗、漂洗、均布、脱水五个阶段，通过在控制程序上合理的搭配来实现。

通过图1可以看出该工业洗脱机的转笼是个悬臂结构，洗涤过程中产生的力的传递大致可以分为以下几个步骤：

1、由驱动系统带动转笼转动，转笼将力传递到轴系；

2.、通过轴系传递到外缸上；

3、通过外缸传递到避震系统，大部分的力转化为弹簧的势能以及弹簧支撑的结构（悬浮体）晃动的动能；

4、通过避震系统将残余的力传递到底座，进而传递到地基上；

从以上的力的传导过程以及结构示意图可以看出，外缸在整个结构中起着承上启下的作用，所有的洗涤过程以及洗涤过程中产生的作用力的传递都是通过外缸来进行，所以外缸是完成整个洗涤过程重要的的零部件，同时由于外缸是整体焊接件，对焊接工艺以及结构设计都有比较高的要求，因此，洗涤设备行业通常会把外缸的强度是否达到使用要求，作为衡量整个洗涤设备性能优劣的重要指标。

全自动工业洗脱机在整个洗涤过程都是自动进行的。其主要的工作状态为洗涤阶段以及高速脱水阶段。其中在洗涤阶段由于转动速度比较低，因而其引起的振动对机器的影响不大。然而在高速脱水阶段，由于为了尽可能脱去布草中所含的水分，因此需要很高的转速。此时转笼中布草如果分布不均匀，在极高的转速之下会产生很大的偏心激振，从而造成机器的整体剧烈的振动。长时间工作状态之下，将会引起机器的结构薄弱部位出现疲劳裂纹甚至发生断裂。因此提高洗脱机的外缸的结构强度可以有效的提高机器的整体寿命。

本文介绍的是某个工业洗脱机新产品开发项目对外缸结构进行优化的过程。

2.背景介绍

通常新产品在样机制做完成后会做加速疲劳寿命实验来检测其各项性能是否满足设计要求，具体做法为在转笼内装入额定洗涤容量的30％的网袋进行偏心高脱，按照标准要求连续高脱64小时，各主关键零部件完好无损则强度满足设计要求，图2中的外缸为额定洗涤容量为100公斤的全自动工业洗脱机，在样机完成之后，做破坏性的疲劳寿命实验，偏心载荷30公斤，转动速度为700转/分，在疲劳寿命实验做到48小时发现侧平板与轴承座支板的焊缝开裂，并且底部方管母材产生裂缝。

3、现有结构分析

下面用有限元分析工具对该外缸进行分析

1、通过对设计的机器的三维结构进行适当的简化得到下面的三维结构模型。如图4。

2、对三维模型进行有限元网格划分，建立有限元模型。

如图5，有限元模型的单元格数量：214483，节点数：381002。

3、材料特性设置

由于外缸的结构件所使用的材料均为Q235-A钢，其弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.30，屈服极限δ_S=235MPa。

4、受力模型的简化

根据工业洗脱机工作过程中的受力分析，可将内筒在高速转动时的受力简化为悬臂梁结构。其受力简图见图6。

5、工作载荷的确定

工作载荷可分为悬挂部件载荷，偏心质量离心力载荷和惯性载荷。

悬挂部件载荷可根据实际部件的质量加载至外缸的相应位置。偏心质量载荷可根据最不利的状况施加，即其方向与整体结构的重力载荷方向一致。惯性载荷是由于偏心载荷的存在而引起结构的附加加速度造成的，因此可认为惯性载荷与偏心载荷方向相反。

偏心质量按照额定洗涤质量的30%计算，即其偏心质量为100*30%=30Kg。

机器在高脱时的转速为700/min，转笼半径为0.6m。

故其偏心质量离心力载荷可根据公式：

F=mω²r=30*(2π*700/60)* (2π*700/60)*0.6≈96.7kN

由于该设备在工作期间是呈周期性的往复的旋转运动，其内部应力也为周期性往复交变应力，因此寿命计算方式为施加正、反方向的交变载荷，为加速分析结果的计算过程，计算模式是取最不利的工况进行施加偏心载荷，即偏心载荷方向与整体结构的中心载荷方向一致，确定好上述各必要条件之后，首先来分析该结构的载荷分布图，请见图7。

6、载荷分析

从载荷分布图上可以看出载荷的分布及作用力的传递顺序（图示红色箭头方向），首先载荷通过轴承座安装板同时传递到加强筋板与外缸后板，接着传递到斜撑以及前部大梁上，接着传递到侧梁，通过侧梁传递到底部方管，最后传递到弹簧座上，所有的这些载荷大部分都是通过部件之间的焊缝进行传递，图2中的开裂焊缝也在此传递的路线当中。

（未完待续）